Thomas John Ellis nació en Cardiff, es hijo de Marilyn Jean (Hooper) y Christopher John Ellis.[1] Su padre, hermana y tío son todos ministros bautistas, con su tío, Robert Ellis, siendo el director de Colegio Regent's Park, a quien también asistió su padre.[2]
Mantuvo una relación con Estelle Morgan, con quien tuvo a su primogénita, Nora Ellis.
Ellis comenzó a salir con la actriz Tamzin Outhwaite. La pareja se casó en 2006. El 25 de junio de 2008 nació su primer hijo juntos, Flora Ellis. Su segunda hija en común, Marnie Mae, nació el 2 de agosto de 2012. El 29 de agosto de 2013, Ellis y Outhwaite anunciaron su separación y finalmente se divorciaron en 2014. Antes de su relación con Ellis, ya tenía una hija de un noviazgo anterior.
Actualmente vive en los Estados Unidos y Canadá,[3][4][5] y sale con la guionista Meaghan Oppenheimer. En 2019, la pareja anunció que se había comprometido y en junio de ese año se casaron. Su única hija en común, Dolly, nació en noviembre de 2023 a través de maternidad subrogada.
En julio y agosto de 2009, protagonizó la serie de comedia dramática de ITV Monday Monday con Fay Ripley.[6][7] También fue elegido como el Detective Inspector Bland en Poirot de Agatha Christie. Ellis fue la estrella de la serie de USA NetworkRush, interpretando a un médico de Hollywood.
En febrero de 2015, se anunció que Ellis fue lanzado como Lucifer Morningstar en el drama de Netflix Lucifer, basado en los cómics del Neil Gaiman, que se estrenó el 25 de enero de 2016 en FOX.[8] En 2018, la cadena anunció que cancelaría la serie pero a través del movimiento de fanes "#SaveLucifer", Netflix adquirió los derechos y cerró definitivamente la serie en su sexta temporada en septiembre de 2021.